刀具作為直接或間接安裝在機(jī)床上，用以完成工件加工任務(wù)的工具，我們必須考慮兩個(gè)適用性和一個(gè)協(xié)調(diào)性指胡。即適用于所選用的機(jī)床，適用于所選用的工件晋丑，以及與加工任務(wù)相匹配橘忿。
　　
　　首先是與機(jī)床匹配。
　　
　　各位可能首先想到的嚼债，是外形和尺寸的匹配侯选。

　　的確，外形和尺寸的匹配是刀具在機(jī)床上能夠正確安裝的基礎(chǔ)土童。沒有這個(gè)基礎(chǔ)诗茎，刀具無法被正確地安裝在機(jī)床上，因此也就談不上完成什么加工任務(wù)献汗。

　　但是敢订，僅有這一點(diǎn)是不夠的。

　　刀具在被安裝在機(jī)床上之后罢吃，是需要完成一定的加工任務(wù)的楚午。在完成這個(gè)加工任務(wù)的過程中，需要保證加工精度尿招、需要承受和傳遞切削力和切削扭距矾柜、需要完成切削熱的承受、傳遞和導(dǎo)出泊业，需要考慮有可能的切削廢棄物(切屑和料頭)甚至是工件的傳輸把沼，以及現(xiàn)代的刀具參數(shù)數(shù)字化傳遞等等。

　　這些任務(wù)有些雖然不是常見吁伺，確也是刀具可能承擔(dān)的任務(wù)饮睬。如果我們能夠在選擇刀具，考慮刀具與機(jī)床的匹配性方面一并考慮谷培，會增加我們解決加工問題的思路卦瘤。

　　保證加工精度、傳遞切削力和力矩藤侦、提供切削液的通道是我們目前在保證外形和尺寸的匹配后瑰氨，經(jīng)常會遇到的問題牺鱼。例如在加工中心上，我們經(jīng)常使用圓柱形(通常稱為直柄)作為夾持方式特血。那么就圓柱形的刀柄跪晕，除典型的完整的圓柱形外，還有一些在圓柱形上增加一些其它要素的變化猜著，如削平型直柄(銑刀按直徑分為單削平面和雙削平面兩種啄崖，鉆削常見全削平面，都被稱為側(cè)壓式)禀锋，帶2°傾斜的斜削平式垄暗，帶扁尾的直柄(常用于鉆頭)，帶方身的直柄(常用于絲錐和鉸刀)等多種方式禀综。

　　就這類刀柄與機(jī)床的聯(lián)結(jié)方式來說简烘，只用圓柱部分定位、夾緊的也不在少數(shù)定枷。各種壓力角的彈簧套系統(tǒng)孤澎，強(qiáng)力夾頭系統(tǒng)，液壓鎖緊系統(tǒng)依鸥、熱膨脹裝夾系統(tǒng)亥至、力變形鎖緊系統(tǒng)等都是用于鎖緊圓柱刀柄的。但各種夾持方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)贱迟。就拿最常見的彈簧套系統(tǒng)來說，大的壓力角(此處將壓力角定義為錐面鎖緊的正壓力與圓柱軸線的夾角)絮供，即大的錐角代表鎖緊行程較短衣吠，有利于快速地鎖緊與松開，但在相同的鎖緊力矩下分解到圓柱面上的正壓力較小壤靶，由此產(chǎn)生的摩擦力距小缚俏，能夠抵抗的切削力距也相應(yīng)比較小，刀具易在刀柄中產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象贮乳，影響加工過程的平穩(wěn)性和加工表面質(zhì)量忧换；同時(shí)此類夾頭可夾持的刀柄直徑變化范圍較大，有利于減少彈簧套的庫存饥猴，優(yōu)化管理倔晚。而小的壓力角就相反。小的壓力角的彈簧套可夾持的刀柄直徑范圍較小屉胳，夾緊時(shí)的鎖緊行程較長封均，不利于快速夾緊與松開，但其夾持精度稍高履剔，夾緊力大篇臭，能承受更大的切削載荷钠彬。

　　液壓鎖緊系統(tǒng)是一種新興的夾持系統(tǒng)，它利用高粘度液壓油的不可壓縮性使刀具夾持腔的內(nèi)壁發(fā)生彈性變形肢抚，從而鎖緊刀具汹改。液壓鎖緊系統(tǒng)的精度高，鎖緊與松開不需要專門的器械從而顯得比較方便别主，鎖緊力矩通常也優(yōu)于彈簧套系統(tǒng)僵禁，但其內(nèi)壁只能在彈性變形的范圍內(nèi)工作。一旦超出此范圍撒蟀，內(nèi)壁就會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形叙谨，就會造成該刀柄裝夾腔的永久性失效。因此保屯，削平型刀柄手负，尤其是鉆削刀具常用的全削平型刀柄是不能在液壓鎖緊系統(tǒng)中使用的」贸撸空腔施壓竟终、刀柄未插到容腔底部等，也是會導(dǎo)致該系統(tǒng)損壞失效的常見原因切蟋。

　　熱膨脹裝夾系統(tǒng)則通常需要專用設(shè)備统捶，這樣的設(shè)備以能控制加熱、冷卻按多種預(yù)定模式進(jìn)行的為佳柄粹。非專業(yè)的加熱設(shè)備(甚至火焰加熱)也許可以使用喘鸟，但常常由于溫度和加熱曲線不能得到良好的控制而對刀柄的其它部分受到影響，甚至改變其金相組織驻右，從而使系統(tǒng)很快失效什黑。另外就是熱膨脹裝夾系統(tǒng)的刀具長度難以調(diào)整，需要專門的輔助工具境猜，這給在需要多刀具同步工作的場合增添了一些麻煩伺罗。
 
　　在另一方面，刀具夾持方式也可能決定著生產(chǎn)效率的可能值胸叠。

　　圓柱刀柄和液壓奇巍、熱膨脹都是可以適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速的平衡設(shè)計(jì)，而削平型的裝夾卻是一種典型的非平衡設(shè)計(jì)债烹，刀具廠商都將其列入不推薦用于高速切削的行列含罪。

　　就刀柄本身而言，在被銑(或磨)去一部分材料形成壓力面時(shí)榄缸，刀柄部分的重心即與刀具的回轉(zhuǎn)中心不重合了蛹吱。在刀具夾緊的過程中，削平柄被鎖緊螺釘推向已經(jīng)偏離中心的那一側(cè)涌疲，刀具的重心將進(jìn)一步偏離刀具在機(jī)床上的回轉(zhuǎn)中心晨每，這些都增加了刀具的不平衡倚胀。加上一些使用者在原始的鎖緊螺釘損壞或遺失后隨意配上一個(gè)螺釘，長度等往往沒有在意所脉，這樣的行為也給刀具的平衡性能增加了不確定性可款。因此，削平型(包括斜削平)都不建議在高速下使用克蚂。

　　但削平型是帶有強(qiáng)制驅(qū)動性質(zhì)的刀柄闺鲸，它較純圓柱完全依靠摩擦力傳動在高扭距下更為可靠。因此埃叭，在粗加工(粗加工一般扭距大摸恍，但轉(zhuǎn)速較低)時(shí)還是比較合適的。

　　其次赤屋，是刀具與被加工工件的適用性立镶。

　　這其中包含的內(nèi)容比較多。

　　適用于加工工件的材料和力學(xué)條件

　　刀具上最重要的基本點(diǎn)是刀尖类早。所謂刀尖媚媒，從定義上是主、副切削刃的交點(diǎn)涩僻。而主切削刃是前刀面與主后刀面的交線缭召，副切削刃是前刀面與副后刀面的交線；因此刀尖實(shí)際上也是前刀面逆日、主后刀面嵌巷、副后刀面三個(gè)面的交點(diǎn)。加上工作狀態(tài)芭贬，它與工件接觸的點(diǎn)也是在工件上已加工表面和切削平面(又稱過渡表面)的交線上翼抡。因此，它實(shí)際上是五個(gè)面和兩個(gè)刃的匯集點(diǎn)箭雪。

　　但是，本文說將的刀尖束咙，要比上述定義的范圍大一些濒秸，它是指上述概念“刀尖”及其刀具上鄰近該“刀尖”的周邊地區(qū)。

　　構(gòu)成這個(gè)刀尖切削性能的览止，有三個(gè)主要因素：基體材料邢垮、表面狀態(tài)、幾何形狀校增。這三者以及它們的交互作用黔攀，基本上決定了這個(gè)刀尖具有什么樣的切削性能。

　　基體材料：現(xiàn)在許多刀具都具備了涂層茁只，但基體材料仍然對刀尖的性能發(fā)揮著非常重要的作用膛胜。涂層通常很薄缔莲，大部分的涂層的厚度在3～25μm，其能夠直接承受的切削力和切削熱還是很有限的霉旗，大部分的切削力痴奏、切削熱要依靠刀具的基體材料來承受。目前主要用于刀具基體材料的厌秒，有高速鋼读拆、鎢基硬質(zhì)合金 (即平時(shí)就稱為硬質(zhì)合金的)、鈦基硬質(zhì)合金(平時(shí)許多人稱之為金屬陶瓷)鸵闪、陶瓷(氧化物陶瓷檐晕、氮化物陶瓷、混合陶瓷等)蚌讼、立方氮化硼(CBN)辟灰、人造金剛石(PCD，德文縮寫為PKD)幾大類啦逆。目前以硬質(zhì)合金最為常用伞矩。
 
　　鎢基硬質(zhì)合金分為鎢鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金兩個(gè)大類(參見漫筆硬質(zhì)合金的發(fā)明一文)。鈷在硬質(zhì)合金中所起的作用是粘結(jié)相夏志，因此乃坤，基體材料的鈷含量越高，在同等條件下就抗沖擊能力越強(qiáng)兰吁。而碳化鎢驼吓、碳化鈦等是硬質(zhì)相，硬質(zhì)相越多肘抒，基體材料的硬度就越高配赊。因此，通常精加工時(shí)由于加工余量均勻任感，一般沖擊較小积苞，可選用含鈷較少的硬質(zhì)合金，刀具的耐磨性也比較好乳吉；而粗加工時(shí)則經(jīng)常會面對余量不均勻的情況这疟，宜采用含鈷量較高的硬質(zhì)合金，這樣對防止粗加工時(shí)刀具的突然崩刃醋躏，發(fā)揮刀具應(yīng)有的耐用度還是很有意義的虹婿。

　　基體材料近年來的一個(gè)技術(shù)進(jìn)步是富鈷層技術(shù)。采用富鈷層技術(shù)的硬質(zhì)合金是通過一定的工藝擒买，使硬質(zhì)合金中的鈷相對向表層集中朝刊，這樣硬質(zhì)合金的中心部分就有更高的硬度，而表面因具有更多的鈷而韌性更強(qiáng)蜈缤。切削中切屑的沖擊主要是發(fā)生在表層拾氓，采用富鈷層的刀具更能夠抵御這樣的沖擊冯挎。
 
　　基體的另一個(gè)主要變化在于細(xì)顆粒化痪枫。在相同或相近的化學(xué)成分下织堂，顆粒細(xì)化能明顯提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。我個(gè)人認(rèn)為奶陈，從某種方面看易阳，硬質(zhì)合金的強(qiáng)度分析與砂輪的強(qiáng)度分析頗有相似之處。硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度實(shí)際上也是有兩方面構(gòu)成的吃粒，一是硬質(zhì)相本身的強(qiáng)度潦俺，即硬質(zhì)相抵御外力破壞的能力，另一方面是粘結(jié)相保護(hù)硬質(zhì)相不致脫落徐勃、位移的能力事示。細(xì)化的硬質(zhì)合金首先是由于硬質(zhì)相顆粒的細(xì)小化，致使其破壞的臨界外力增加了益侨。好比我們要扳斷一支粉筆很容易暇寸，而要扳斷一個(gè)粉筆頭卻要困難得多。

　　刀具涂層：有資料說积碍，所有切削刀具中70-80%都是涂層刀具庸磅。涂層改善了所有切削刀具基體材料的切削性能：高速鋼(HSS)、硬質(zhì)合金蚌斑、金屬陶瓷奋完、陶瓷、超硬材料等等慰适。

　　刀具為什么需要進(jìn)行涂層淫兑？它的主要作用包括以下幾個(gè)方面：
　　延長刀具壽命
　　抗磨粒磨損
　　抗月牙洼磨損
　　防止積屑瘤的產(chǎn)生
　　提高加工效率
　　通常以通過提高切削速度的方式實(shí)現(xiàn)
　　改善工件表面光潔度

　　通常的刀具涂層分為化學(xué)涂層(CVD)和化學(xué)涂層(PVD)兩大類別〗雀化學(xué)涂層主要用于涂覆碳化鈦(TiC)二谤、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦(TiN)读囤、三氧化二鋁(Al2O3)峻胞、金剛石(Diamond)等，而物理涂層可涂的種類繁多关带，如氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)沼撕、氮鋁化鈦(TiAlN)宋雏、二硼化鈦(TiB2)、氮化鋯(ZrN)务豺、氮化鉻(CrN)磨总，還有鋁含量比氮鋁化鈦更高的氮鈦化鋁(AlTiN)嗦明，用鉻來代替鈦的氮鉻化鋁(AlCrN)等等。另外還有一些如中溫化學(xué)涂層(MT-CVD)的碳氮化鈦(TiCN)蚪燕，一些等離子技術(shù)的化學(xué)涂等等娶牌。
 
　　近年來，相比化學(xué)涂層而言馆纳，物理涂層的發(fā)展很快诗良，新的涂層品種層出不窮。但是在常規(guī)的鋼鐵加工中鲁驶，三氧化二鋁(Al2O3)涂層依然是絕對的主力鉴裹。就目前的技術(shù)而言，要想取得耐熱性能優(yōu)越的Al2O3膜層憾顿，尤其是穩(wěn)定的a相Al2O3窜抽，化學(xué)涂層還是最好的選擇。目前各家刀具制造廠商都在致力于在保證涂層結(jié)合力的前提下努力增厚Al2O3膜層的厚度豺研，改善涂層與基體結(jié)合力髓无、改善多層涂層的層間結(jié)合力、改善表層涂層與工件的接觸允逝，甚至設(shè)法控制膜層的晶粒按事先選定的方向成長沫十。2006年9月，我曾陪同《工具技術(shù)》主編辛節(jié)之先生和《機(jī)械工人(冷加工)》主編王天諶先生采訪肯納金屬旗下金屬加工解決方案和服務(wù)集團(tuán)(Metalworking Solution & Server Group, MSSG)的副總裁伯納德·諾斯(Bernard North)時(shí)诸谨，諾斯先生談到肯納金屬的涂層厚度已經(jīng)可以達(dá)到約30μm狰丝，而他們正式推向市場的經(jīng)過升級的KC9110的涂層厚度達(dá)到了24μm。由于類似這種涂層技術(shù)的突破颖脸，客戶應(yīng)用KC9110這種牌號的平均切削速度由5年以前的約為250m/min提高到平均320m/min化团。

　　山高刀具則發(fā)表了他們研究和改善涂層晶核形成的成果。山高刀具認(rèn)為翩赐，最優(yōu)化的成核作用使得磨損性能顯著提高辐荷，而且這些種類的a-Al2O3層通常由相對較小的、表現(xiàn)為無孔隙度的無缺陷顆粒組成燎窘。<1 0 1 4>結(jié)構(gòu)的a-Al2O3層表現(xiàn)出最佳的耐磨性摹闽。山高新的a基Al2O3鍍層DurAtomic"的制造水平達(dá)到原子級。結(jié)果使機(jī)械和熱特性超過所有目前生產(chǎn)的Al2O3的能力褐健。與傳統(tǒng)生產(chǎn)的Al2O3相比付鹿，DurAtomic"鍍層表現(xiàn)出更高的耐久性/韌性、杰出的耐熱/耐磨性蚜迅、化學(xué)惰性舵匾，并因此減少有關(guān)積屑瘤形成的傾向。山高的a基Al2O3鍍層DurAtomic"似乎是拋棄了最外表層覆蓋TiN膜層以方便識別磨損的定律，以讓a-Al2O3鍍層能夠達(dá)到更厚的厚度坐梯。從山高提供的資料看徽诲，DurAtomic"的膜層確實(shí)也是具備很強(qiáng)競爭力的。
 
　　但是化學(xué)涂層由于涂層溫度較高(約900～1000℃)吵血，基體與膜層間會出現(xiàn)一種脆性的η相谎替，同時(shí)由于基體與膜層兩者熱膨脹系數(shù)不同而在高溫下導(dǎo)致涂層中裂紋的產(chǎn)生。η相對涂層的結(jié)合力起著負(fù)面作用蹋辅。微小的少量表面裂紋對刀具切削時(shí)是否具有負(fù)面作用雖然還沒有確實(shí)的證據(jù)支持阅权，但至少是涂層表面裂紋擴(kuò)展的一個(gè)隱患。因此叶刮，德國豪澤涂層技術(shù)公司與瓦爾特合作開發(fā)了在較低的溫度下用物理涂層的方法制備Al2O3膜層的技術(shù)悠蹬。對于這種技術(shù)，其Al2O3膜層的金相組織搓捅、穩(wěn)定性等情況我都還不得而知跛拌，但據(jù)瓦爾特(無錫)有限公司技術(shù)總監(jiān)鄂有鵬先生介紹，該涂層在加工不銹鋼和難加工材料方面的表現(xiàn)铆性，還是可圈可點(diǎn)的却痴。
 
　　據(jù)我所知，就改善涂層與刀具基體材料的結(jié)合力而言跨溺，涂前的處理非常重要漩判。良好的表面處理不僅能改善涂層附著強(qiáng)度，使表面更光滑惩投，還有助于減少積屑瘤的產(chǎn)生摘沥，微崩刃，降低切屑流動的危害兄存。而我們國內(nèi)有些刀具制造企業(yè)在涂層前不做認(rèn)真熊镣、仔細(xì)的處理，這就降低了涂層與刀具之間的結(jié)合力募书，使涂層刀具原來應(yīng)該有的優(yōu)點(diǎn)不能完全發(fā)揮出來绪囱。

　　刃口幾何形狀：刀具刃口的幾何參數(shù)是決定刃口性能的另一個(gè)重要的因素。刀具的幾何形狀不僅包括前角莹捡、后角鬼吵、斷屑槽形，還包括負(fù)倒棱篮赢、修光刃齿椅、鈍化、拋光這些細(xì)部結(jié)構(gòu)启泣。刀具的切削性能通常是由基體媒咳、表面技術(shù)粹排、刃口幾何形狀三者的交互作用形成的，因此刃口的幾何形狀常常能夠彌補(bǔ)刀具基體材料或者是涂層的某些不足涩澡。

　　由于刀具的幾何形狀包含了很多的因素，有些關(guān)系還比較復(fù)雜坠敷，一些對此沒有研究的往往不認(rèn)識其中的奧秘汹涯，以為憑借一些新的材料技術(shù)或涂層技術(shù)就能在技術(shù)上戰(zhàn)勝對手，這未免將問題看得過于簡單数屁。

　　十年前片侧，我剛加入瓦爾特不久，在一個(gè)客戶那里遇到了一個(gè)棘手的問題透格。這個(gè)客戶有一個(gè)鑄鋼的零件需要加工微悬，使用的是帶刀片的玉米銑刀。當(dāng)時(shí)在瓦爾特中國的一個(gè)德國人去作了兩次試刀韭拙，刀片都被打飛了沙诅。客戶的刀具消耗量對瓦爾特很有吸引力祥扒，瓦爾特通過一些努力后客戶的主管工程師同意再給瓦爾特一次機(jī)會草仪，但要求瓦爾特首先要把原來沒有成功的那把玉米銑刀試下來，否則沒有什么可能鼻蟆。
 
壓力很大振害。

　　我首先分析了加工狀況。那個(gè)鑄鋼件加工的是一個(gè)半封閉的內(nèi)腔匀油，有一處是三個(gè)平面的交匯處缘缚。這個(gè)地方的工況很是不妙。鑄鋼件的兩個(gè)內(nèi)平面相交處有過渡圓角敌蚜，而那個(gè)地方是三個(gè)兩兩垂直的平面交匯桥滨，因此由三個(gè)過渡圓角合成了一個(gè)實(shí)際余量很大的局部區(qū)域。德國技師的兩次試刀钝侠，都是切到這個(gè)地方刀片因承受不了過大的局部余量而粉身碎骨该园。因此，如何對付這一拐角將是我選擇刀具的主要考慮帅韧。
 
　　我認(rèn)為從刀具選擇上里初，德國技師所選的基體材質(zhì)和涂層都沒有什么的異議。WAP35是瓦爾特銑刀材質(zhì)上韌性非常好的一種忽舟，即使改選韌性可能略有改善的WTP35双妨，這種狀況也很難有根本性的改變。

　　我把目光移到了幾何槽形上叮阅。

　　瓦爾特的銑刀片中刁品，有一種槽形的代碼是“D51”泣特。其中的“1”樣本上的解釋是帶減振結(jié)構(gòu)。什么樣的結(jié)構(gòu)能夠減震凡宅？我在大學(xué)學(xué)習(xí)的專業(yè)是“金屬切削刀具設(shè)計(jì)與制造”谆威，按我所學(xué)的切削原理，所謂的減震結(jié)構(gòu)钓闲，應(yīng)該是在刀具上的消振棱婉饼。

　　一般刀具技術(shù)人員比較熟悉的是負(fù)倒棱，對消振棱有所了解的可謂少之又少拉盘。負(fù)倒棱是在刀具前刀面上靠近切削刃的地方制出一條窄的序敷，前角明顯小于主前角(常常為負(fù)值)的棱；而消振棱則是在刀具后刀面上制出的一條窄的当糯，后角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀具主后角(常常為負(fù)值)的棱赋昔。設(shè)計(jì)消振棱的主要作用是讓消振棱在已經(jīng)加工完成的工件表面上起“熨燙”的作用，增加阻尼捧练，以此來減輕甚至消除振動亮绢。

　　因此，雖然消振棱的主要作用是減振消振酣婶，但由于其采用負(fù)后角的形式唱枝，實(shí)際上也增強(qiáng)了切削刃的強(qiáng)度，有利于抵抗由于局部余量增大的切削力比驻。

　　同時(shí)该溯，我在使用時(shí)還適當(dāng)降低了切削速度。當(dāng)時(shí)客戶該工序使用山特維克可樂滿的一款玉米銑刀别惦，切削速度是30m/min左右狈茉，而瓦爾特的德國技師卻根據(jù)樣本把切削速度提高許多(第一次超過150m/min，第二次約100m/min)掸掸，我認(rèn)為是沒有根據(jù)用戶的實(shí)際條件照搬樣本所犯的錯(cuò)誤氯庆。
 
　　經(jīng)過這一槽形的選擇和切削參數(shù)的調(diào)整，試刀成功了扰付。后來客戶刀具工程師告訴我這一刀片比他們原來使用的山特維克可樂滿的那款刀片壽命高了4倍堤撵。我很清楚，就技術(shù)水平而言羽莺，當(dāng)時(shí)山特維克可樂滿的刀片在基體材料和涂層方面決不會輸給瓦爾特那么多实昨，而瓦爾特的這種帶消振棱的槽形起了關(guān)鍵的作用——至少當(dāng)時(shí)山特維克可樂滿不具備帶消振棱的銑刀片。

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